[發明專利]電注入硅基III-V族邊發射納米線激光器及其制備方法

有效

• 申請號: 201910102887.8
• 申請日: 2019-01-31
• 公開（公告）號: CN109638648B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 李亞節;周旭亮;王夢琦;于紅艷;楊文宇;潘教青;王圩
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01S5/34
• 分類號: H01S5/34;H01S5/343
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 李佳

本發明公開了一種電注入硅基III?V族邊發射納米線激光器的制備方法，包括：在SOI襯底上沉積二氧化硅層，在所述二氧化硅層上刻蝕矩形溝槽；在矩形溝槽下方的所述SOI襯底的頂層硅中腐蝕v形溝槽，與所述矩形溝槽連通形成連通溝槽；在所述連通溝槽中生長硅基III?V族邊發射納米線激光器的外延結構；在所述硅基III?V族邊發射納米線激光器上制備金屬電極圖形。本發明為在SOI襯底上外延的III?V族納米線材料提供了實現電注入的工藝方法，同時所制備的電極可以用于測試硅基III?V族邊發射納米線激光器動態特性。

技術領域

本發明涉及光電子技術領域，特別涉及了一種電注入硅基III-V族邊發射納米線激光器及其制備方法。

背景技術

自第一個集成電路誕生以來，集成電路技術一直保持著超高速度的發展，以硅材料作為襯底的MOSFET器件成為現代集成電路技術的核心與基礎。隨著器件特征尺寸的不斷縮小，集成電路技術在速度、功耗、集成度、可靠性等方面受到一系列基本物理問題和工藝技術的限制。為實現更大的存儲容量和更高的傳輸速度，傳統的以電子作為信息傳輸載體的通信技術已不能滿足實際應用的需求，以光子代替電子作為信息載體成為主流的發展趨勢。

電子工業最初開發的成熟的、高產量的制造工藝是現代人們對硅光子學進行大規模研究的主要推動力。問題是，硅是間接帶隙半導體，其輻射復合發光效率極低，在硅基集成光子研究中，如何在硅襯底上集成實用化的激光器和光放大器成為目前最大的難題。為了克服這個難題，許多具有戰略性的研究正在開展，它們大致可分為以下6種類型：1)利用量子限制效應來克服硅的間接帶隙結構；2)利用摻雜稀土離子作為發光中心；3)利用受激拉曼散射效應，實現硅中的光放大和激光產生；4)利用能帶工程把間接帶隙變成直接帶隙，即鍺硅激光器；5)利用鍵合技術將III-V激光器與硅襯底混合集成在一起；6)利用直接外延技術實現III-V材料與Si的單片集成。

目前取得突出研究成果的硅基III-V族鍵合激光器，正在商業上進行光學互連的部署，但與標準的大批量和低成本制造工藝不太兼容。在硅上直接外延生長III-V材料是實現硅光子學和片上光學互連應用的有效解決方案之一，這種方案與CMOS工藝流程兼容，高度可擴展且成本更低。但是，III-V材料和Si之間存在大的晶格失配和熱失配，這會導致外延生長時III-V族材料內部產生大量的缺陷。此外，當極性III-V材料外延生長在非極性Si的表面上時，將會導致反相疇邊界(APB)的出現，從而降低器件的性能。幸運的是，通過使用高深寬比限制(ART)技術和兩個Si{111}面構成的v形溝槽，可以在硅襯底上獲得高質量的III-V族化合物半導體。APB可以被v形溝槽底部的Si{111}面抑制，位錯可以被二氧化硅側壁捕獲。然而，由于III-V族材料(例如InP，GaAs)在紅外波段的折射率小于Si的折射率，III-V族材料內產生的光子容易泄漏到硅襯底中，導致III-V族材料內不存在光學模式。目前通過將III-V族納米線下面的Si掏空，或者將III-V族納米線從硅襯底中移出放置在二氧化硅上的方法，已經實現了光致激光激射；但是，掏空III-V族納米線下方Si的方法在實際應用中存在III-V族納米線斷裂的風險，將III-V族納米線從硅襯底中移出放置在二氧化硅上的方法并不適用于光電集成。同時，研究人員們也正在向著實現硅基III-V族單片集成激光器的電致激光激射努力。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明提供了一種電注入硅基III-V族邊發射納米線激光器及其制備方法，以至少部分解決以上所提出的技術問題。

(二)技術方案

根據本發明的一個方面，提供一種電注入硅基III-V族邊發射納米線激光器的制備方法，包括：

在SOI襯底上沉積二氧化硅層，在所述二氧化硅層上刻蝕矩形溝槽；

在矩形溝槽下方的所述SOI襯底的頂層硅中腐蝕v形溝槽，與所述矩形溝槽連通形成連通溝槽；